커패시터란?

 

커패시터의 특성

 

 

커패시터란?

커패시터란 콘덴서 축전기라고도 불리는 소자로 전기를 일시적으로 저장하는 소자입니다.

2개의 도체판 사이에 절연체(유전체)가 들어간 구조로 되어있습니다.

이 절연체는 전극판과 전극판 사이의 전기를 차단하고 전기를 담아두는 역할을 합니다.

어떤 재질의 절연체를 포함하느냐에 따라 커패시터의 종류가 나누어집니다.

 

두 도체판 사이에 전압을 걸게되면 음극에는 (-) 전하가 양극에는 (+) 전하가 유도되고 이로 인해 전기적 인력이 발생합니다.

이 인력에 의해 전하들이 모여있게 되어서 에너지가 저장됩니다.

 

이 때 모이는 전하량은 전압에 비례하게 됩니다. 커패시터가 전하를 충전할 수 있는 능력을 커패시턴스 혹은 정전용량이라고 합니다.

용량 단위는 F(패럿)이며, 일반적으로 pF, μF 단위를 주로 사용합니다.

 

 

 

커패시터의 용도

커패시터의 용도를 보겠습니다.

 

커플링 : 교류만 통과

커플링이란 직류와 교류가 섞여 있는 신호에서 교류 신호만 통과시키는 기능을 말합니다.

 

발진 : 충전, 방전 반복 → 과도 파형 만들기

충전과 방전을 반복하여 과도 파형을 만들어 내는 기능을 말합니다.

 

완충 : 배터리와 유사

보조 배터리처럼 전압을 충전한 다음에 전류를 출력하는 기능을 말합니다.

 

평활 : 직류로 만듦

맥류 신호(직류와 교류가 합쳐진 것)를 일정한 직류 평균 전압으로 만들어 주는 기능을 말합니다.

 

바이패스 : 노이즈 제거

노이즈 성분을 그라운드로 흘려버리는 기능을 말합니다.

 

회로 설계시 노이즈를 제거하기 위해 바이패스 커패시터를 많이 사용합니다.

이러한 노이즈를 제거하기 위한 용도로 IC에 많이 사용합니다.

 

 

직류와 교류에서의 커패시터 관찰

직류에서 먼저 살펴보면 전원에서 전압이 들어오게 되면 전원부와 커패시터의 전압이 같아질 때 까지

커패시터로 전류가 흐르며 충전되기 시작합니다.

그리고 커패시터의 용량만큼 충전이 완료되면 전원과 커패시터의 전압이 같아져 더 이상 전류가 흐르지 않습니다.

그러다 전원부의 전압이 끊어져 그 전압이 유지되지 않으면 커패시터는 저장하고 있던 에너지를 IC에 공급하게 됩니다.

이러한 이유로 회로 설계 시 전원의 안정성을 위해 IC의 전원부에 커패시터를 배치합니다.

 

 

 

 

교류를 살펴보면 커패시터가 충전된 상태에서 (+)극과 (-)극을 반대로 접속하면 전원과 커패시터의 극성이 반대가 되므로

전위차가 생겨 전류가 흐르게 됩니다.

충전이 완료되면 전위차가 없어지므로 직류의 경우는 전류를 차단하지만 교류는 (+)극과 (-)극이 계속해서 전환되는 특성이 있어서

충전, 방전을 반복하게 됩니다.

따라서 직류와 달리 교류는 통과할 수 있게 됩니다.

 

아래 그림은 교류 전압을 인가했을 때 그래프 입니다. 전류가 흐르는 것을 관찰할 수 있습니다.

 

커패시터 계산

 

두 개의 커패시터가 직렬로 연결되어 있다면, 두 커패시터의 중간의 판은 완전히 외부와 떨어져있는 상태라고 봐도 무방합니다.

이 구간의 독립된 도체의 전하는 외부로 나갈수도 없고, 들어올 수도 없는 상태가 됩니다.

기본적으로 커패시터와 도선은 중성인 상태를 유지하고 있습니다. 만약 가운데 도체에서 전하가 이동하여 오른쪽 판의 전하량이

+Q가 되었다면, 반드시 왼쪽 판의 전하량은 -Q가 됩니다. 따라서 두 커패시터의 충전된 전하량은 같아집니다.

 

이제 식을 확인해 보겠습니다.

 

위의 식을 관찰하면 커패시터를 직렬로 연결할 경우 저항의 병렬연결과 유사한 형태를 가집니다.

 

 

커패시터의 병렬 연결을 확인해 보겠습니다.

전체 커패시터에 걸리는 전압을 V라고 하면, 각 커패시터에 걸리는 전압 또한 V로 동일합니다.

이제 식을 확인해 보겠습니다.

 

​​

위의 식을 관찰하면 커패시터를 병렬로 연결할 경우 저항의 직렬연결과 같은 식을 사용하는 것을 확인할 수 있습니다.

 

커플링 커패시터(coupling)

 

주로 트랜지스터와 트랜지스터 사이 혹은 op-amp와 op-amp 사이에 활용합니다.

커플링 커패시터는 전압이 다른 단을 연결하여 직류 신호(DC)는 차단하여 신호의 간섭을 차단하고

아날로그 신호(AC)만 통과 시키는 것을 주된 목적으로 합니다.

즉, 필요한 신호만 통과시키는 방법입니다.

 

또한, 크기에 따라 특정 주파수 대역의 신호만 통과시키는 역할을 합니다.

낮은 주파수를 통과시키려면 더 큰 값의 커패시터가 필요하고, 높은 주파수만 통과시키려면 작은 값의 커패시터를 사용합니다.

 

아래 그림을 참고합니다.

 

 

바이패스 커패시터（bypass)

교차점에서 교류성분은 GND를 통해 빠져 나가고, 직류 성분만 남도록 합니다.

Bypass는 어떤 신호를 지나가게 한다는 의미입니다.

주로 Line과 GND 사이에 붙여 전원에 실린 고주파 노이즈를 제거하여 직류 안정을 위해 사용합니다.

IC의 신호가 High → Low, Low → High로 전이 될 때 발생하는 스파크성 노이즈를 제거합니다.

 

아래 회로를 참고하도록 합니다.

바이패스에는 ESR(등가 직렬 저항) 즉, 콘덴서의 내부 저항으로 ESR을 낮추어 바이패스 콘덴서의 성능을 높일 수 있습니다.

커패시터 용량에 따른 공진 주파수 영역에서 임피던스가 최소인 모습을 확인할 수 있습니다.

또한, 여러 용량의 커패시터를 병렬로 연결하면 넓은 주파수 영역대에서 임피던스를 최소화 하여 노이즈를 제거할 수 있습니다.

아래 그림은 주파수와 임피던스의 상관관계 그래프입니다.

 

 

 

 

 

 

TEL (062-226-1777, 010-9891-7244), E-mail (ipmes@ipmes.co.kr)

임베디드 시스템 | PCB 설계 제작 | 펌웨어 개발 | 신호처리 | 응용프로그램